[비즈한국] Kính viễn vọng không gian James Webb đang khám phá ra những khung cảnh đáng kinh ngạc chưa từng được dự đoán tại rìa vũ trụ ngay sau vụ nổ Big Bang. Có một phát hiện đặc biệt gây khó khăn cho các nhà thiên văn học, đó là những đốm đỏ nhỏ bé và mờ nhạt được tìm thấy ở tận cùng vũ trụ. Những đốm này được gọi là "Little Red Dot" (LRD). Chúng được cho là những thiên hà nguyên thủy hoặc hố đen nguyên thủy đã tồn tại khi vũ trụ chưa đầy 1 tỷ năm tuổi, nhưng bản chất thực sự của chúng vẫn chưa được giải thích chính xác.
Đôi khi, một số phương tiện truyền thông và YouTuber mượn lời của vài nhà thiên văn học tinh nghịch để đưa tin phóng đại rằng “thuyết Big Bang đang bị đe dọa” khi nói về những phát hiện mới. Rất may, cho đến nay, chưa có phát hiện nào dẫn đến việc thuyết Big Bang hiện tại bị sụp đổ, nhưng đó quả thực là một khám phá đủ hấp dẫn và thú vị để khiến truyền thông sử dụng những từ ngữ như vậy.
Các đốm đỏ bắt đầu được phát hiện trong quá trình James Webb tìm kiếm các hố đen siêu khối lượng có thể đã tồn tại trong vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang. Vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang ít tiến hóa hơn so với hiện nay. Đây là thời kỳ các siêu tân tinh chưa kịp bùng nổ đủ nhiều. Hầu hết không gian chỉ toàn là hydro và heli tinh khiết, và các thiên hà được cấu tạo từ những ngôi sao như vậy cũng tương tự. Các thiên hà nguyên thủy hẳn đã phát ra những vạch phổ bức xạ mạnh mẽ từ hydro.
Tuy nhiên, nếu một hố đen khổng lồ đã tồn tại ở trung tâm ngay từ thời thiên hà nguyên thủy, thì cũng giống như các thiên hà hiện nay, thiên hà đó hẳn đã quay nhanh quanh hố đen trung tâm. Khi đó, một phần vật chất khí trong thiên hà sẽ di chuyển ra xa chúng ta, trong khi một nửa còn lại di chuyển về phía chúng ta. Khi quan sát ánh sáng của một vật thể đang chuyển động, chúng ta sẽ bắt gặp hiệu ứng Doppler khiến bước sóng dài ra hoặc ngắn lại.
Do đó, ánh sáng từ các thiên hà quay nhanh với hố đen nặng ở trung tâm sẽ lan rộng ra cả hai phía, dài hơn hoặc ngắn hơn. Các vạch bức xạ nhọn và sắc nét của nhiều thành phần hóa học trong quang phổ sẽ bị trải rộng ra trên các bước sóng rộng hơn. Đây được gọi là sự tăng độ rộng vạch phổ. Đặc biệt, hố đen càng nặng thì thiên hà quay càng nhanh và vạch phổ càng rộng. Đặc điểm này được gọi là vạch rộng (Broad line).
Hơn nữa, các thiên hà ở rìa vũ trụ mà James Webb nhắm tới đang di chuyển ra xa với tốc độ vượt xa tốc độ ánh sáng cùng với sự giãn nở của vũ trụ. Sự giãn nở này gây ra hiện tượng dịch chuyển đỏ, khiến ánh sáng của các thiên hà bị lệch sang bước sóng cực dài. Lẽ ra các khí hydro trong thiên hà đã phát ra ánh sáng từ dải tia cực tím với bước sóng ngắn hơn nhiều, nhưng trong hành trình dài bay đến Trái Đất, bước sóng đã bị dịch chuyển sang tia hồng ngoại dài hơn nhiều. Những đốm đỏ mờ nhạt mà James Webb nhìn thấy chính là ánh sáng từ hàng tỷ năm trước đã trải qua sự dịch chuyển đỏ cực đoan như vậy.
Thế nhưng, khi từng đốm đỏ được phát hiện, một sự thật đáng kinh ngạc đã lộ diện. Ban đầu, các nhà thiên văn học nghĩ rằng các đốm đỏ là ánh sáng rò rỉ từ rìa vũ trụ xa xôi, nơi chứa hố đen khổng lồ ở trung tâm, bị kéo dài sang bước sóng dài hơn do sự giãn nở vũ trụ. Nhưng vấn đề không đơn giản như vậy. Hầu hết các đốm đỏ được tìm thấy cho đến nay không cho thấy sự tăng độ rộng vạch phổ rõ ràng. Một đặc điểm lẽ ra phải có ở một thiên hà chứa hố đen khổng lồ ở trung tâm lại không hề xuất hiện! Nó trông kỳ lạ đến mức có những ý kiến cho rằng đây có thể không phải là thiên hà thông thường như chúng ta từng nghĩ.
Có một vài giả thuyết cho vấn đề này. Thứ nhất, có khả năng hố đen siêu khối lượng ở trung tâm đang phát ra năng lượng quá mạnh, khiến ánh sáng từ các ngôi sao và đám mây khí bình thường trong thiên hà quay quanh hố đen bị lu mờ. Hoặc vì đây là thiên hà trong vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang, nên nó có thể là một thiên hà nhỏ hơn nhiều so với hiện nay. Ngoài ra, cũng có thể vì nó được bao bọc bởi những đám mây bụi dày đặc, khiến ánh sáng xanh từ các ngôi sao trẻ bị che khuất phần lớn, dẫn đến việc nó trông có màu đỏ hơn.
Các nhà thiên văn học đã phân tích CANUCS-LRD-z8.6, một trong những đốm đỏ được phát hiện bởi James Webb. Đây là một thiên hà rất xa với độ dịch chuyển đỏ khoảng 8,6. Thiên hà này lưu giữ hình ảnh của vũ trụ khi mới chỉ 580 triệu năm tuổi. Vì vậy, hàm lượng các nguyên tố kim loại cực kỳ thấp. Thiên hà này cho thấy sự tăng độ rộng vạch phổ dù mờ nhạt nhưng có thể xác nhận được. Kết quả ước tính cho thấy khối lượng hố đen ẩn giấu ở trung tâm vượt quá 10 triệu lần khối lượng Mặt Trời.
Khối lượng hố đen tại trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta là 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời, nên hố đen trong đốm đỏ này là quá nặng. Điều này có nghĩa là một thiên hà nguyên thủy "trẻ sơ sinh" sống khi vũ trụ chưa đầy 600 triệu năm tuổi lại chứa một hố đen nặng gấp đôi thiên hà của chúng ta, vốn đã hơn 10 tỷ năm tuổi! Thật khó tin rằng một hố đen nặng như vậy lại tồn tại trong quá khứ xa xôi khi vũ trụ vừa mới hình thành.
Hố đen phát triển bằng cách nuốt chửng vật chất thông qua lực hấp dẫn mạnh mẽ. Tuy nhiên, dù là hố đen cũng không thể cứ nuốt chửng một cách vô tội vạ. Đồng thời, vật chất tích tụ xung quanh sẽ bị nung nóng, giải phóng năng lượng mạnh mẽ ra bên ngoài hố đen. Hố đen càng nuốt nhiều vật chất thì năng lượng giải phóng ra mọi hướng càng dữ dội. Nếu hố đen hấp thụ vật chất quá tham lam, năng lượng giải phóng ra ngoài sẽ trở nên quá mạnh khiến nó không thể tiếp tục hấp thụ vật chất thêm nữa.
Giới hạn mà hố đen có thể nuốt chửng vật chất như vậy được định nghĩa rõ ràng là giới hạn Eddington. Về lý thuyết, sự tăng trưởng vượt bậc vượt quá giới hạn này là không thể. Tuy nhiên, các đốm đỏ trong ảnh của James Webb rõ ràng cho thấy sự tồn tại của những hố đen nguyên thủy "siêu ưu tú" mà không cách nào khác có thể giải thích được ngoài việc chúng đã có sự tăng trưởng bùng nổ.
Có một phương án thay thế để giải thích điều này. Đó là khi hố đen nguyên thủy được tạo ra, không có ngôi sao nào khác hình thành xung quanh, chỉ có duy nhất một hố đen khổng lồ hiện hữu. Thứ ngăn cản sự tăng trưởng bùng nổ của hố đen chính là năng lượng giải phóng khi các ngôi sao và đám mây khí bị hút vào trở nên nóng bỏng. Do đó, nếu năng lượng này không được tạo ra, hố đen có thể thực hiện "bữa tiệc" nhanh và dữ dội hơn những gì chúng ta biết.
Điều này có thể xảy ra nếu hiện tượng "sụp đổ trực tiếp" (Direct collapse) diễn ra, khi các đám mây khí khổng lồ tồn tại trong vũ trụ nguyên thủy sụp đổ và kết tụ ngay lập tức thành một hố đen siêu khối lượng mà không tạo ra các ngôi sao khác. Nếu đúng như vậy, các đốm đỏ được tìm thấy bởi kính viễn vọng James Webb thực chất là những hố đen siêu khối lượng lang thang, không thuộc về bất kỳ thiên hà nào và đang trôi dạt trong sự hỗn loạn của vũ trụ sơ khai!
Nếu tóm tắt những phát hiện gần đây của James Webb thường được truyền thông đề cập là "thuyết Big Bang đang bị đe dọa" bằng một câu, chúng ta có thể nói rằng: "Có vẻ như các thiên hà và hố đen trong vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang đã phát triển nhanh hơn chúng ta dự đoán". Trước khi James Webb ra đời, khi chúng ta chỉ có thể nhìn ngược về thời điểm 1 tỷ năm sau Big Bang, người ta từng nghĩ rằng vũ trụ đã tiến hóa với tốc độ tăng trưởng vừa phải như chúng ta biết từ thuở sơ khai. Tuy nhiên, khi James Webb cho phép chúng ta nhìn thấu vào vũ trụ trong vòng 1 tỷ năm sau Big Bang, chúng ta đã tìm thấy dấu hiệu cho thấy vũ trụ có thể đã tiến hóa với những cơn đau tăng trưởng dữ dội hơn khi còn rất trẻ.
Thực tế, dấu hiệu cho thấy các hố đen và thiên hà trong vũ trụ sơ khai có thể đã tăng trưởng mạnh mẽ hơn đã được đề cập một cách thận trọng thông qua các cuộc khảo sát khác trước đây. Thông qua Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan (Sloan Digital Sky Survey), vốn đang lập bản đồ các thiên hà phân bố trên khắp vũ trụ, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra các thiên hà có tên là "thiên hà hạt đậu xanh" (Green pea galaxy) ở khoảng cách xa hơn 2-3 tỷ năm ánh sáng. Vì là những thiên hà có mật độ oxy rất cao và phong phú nên ánh sáng bước sóng xanh lục của chúng đặc biệt sáng. Tuy nhiên, vì là những thiên hà sơ sinh trong quá khứ xa xôi nên kích thước của chúng chỉ bằng 1/10 Dải Ngân hà của chúng ta. Vì thế, trong ảnh khảo sát, chúng trông giống như những hạt đậu nhỏ.
Khi rời khỏi cánh đồng đậu xanh để đi xa hơn vào vũ trụ, chúng ta lại gặp những "cánh đồng việt quất" có ánh sáng xanh mờ nhạt hơn. Những đốm nhỏ mờ nhạt trông có vẻ sáng trong dải bước sóng xanh ngắn gần với màu tím trong ảnh được gọi là thiên hà việt quất (Blueberry galaxy). Thông qua các quan sát khảo sát thực tế được tiến hành từ năm 2017, đến nay đã xác định được hơn 1500 thiên hà việt quất. Chúng được cho là những thiên hà tập trung các ngôi sao trẻ và xanh cực kỳ sáng với mật độ cao. Có lẽ đây là những thiên hà bùng nổ sao (starburst galaxy) với tỷ lệ hình thành sao bùng nổ cao gấp 10-100 lần so với các thiên hà hiện nay. Tương tự, vì là những thiên hà sơ sinh ở vũ trụ xa xôi hơn nên chúng chưa phát triển hoàn thiện. Kích thước của chúng chỉ bằng 1/3000 Dải Ngân hà của chúng ta.
Chúng ta từng nghĩ rằng vũ trụ sẽ chứa đầy những thiên hà tròn trịa và to lớn như hoa hướng dương. Chúng ta nghĩ rằng càng đi về quá khứ xa xôi, chúng ta sẽ chỉ thấy những hạt hướng dương nhỏ bé chưa lớn. Nhưng không phải vậy. Khi tiến một bước xa hơn vào vũ trụ, chúng ta đối mặt với cánh đồng đậu xanh rộng lớn đầy bất ngờ, và khi tiến thêm một bước nữa, chúng ta lại gặp cánh đồng việt quất khổng lồ. Hiện nay, khi đã tiến gần đến biên giới vũ trụ có thể quan sát được thông qua James Webb, chúng ta lại bắt gặp một cánh đồng cao lương đỏ khổng lồ không ngờ tới. Vũ trụ của chúng ta, vốn tràn ngập vô số thiên hà tỏa sáng rực rỡ ngày nay, chính là bông hoa nở rộ giữa cánh đồng cao lương đỏ từ 13,8 tỷ năm trước.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204983T/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204557L/abstract
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học thuộc Đại học Yonsei, đồng thời tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết sách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Đài thiên văn đang tán tỉnh', 'Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng'.